基于分布式电源的配电网故障定位及恢复技术研究

[摘 要]配电网络的实际网络布线错综复杂、分布广泛且其负荷变化大、故障频率高，据相关统计，除发电不足等因素外，用户遭受停电事故的95%以上的原因是由配电网故障引起的。为了确保配电网运行时的可靠性、安全性以及供电质量就必须对故障线路进行定位和隔离，并通过网络重构及时恢复非故障区域的供电，以缩短故障区域用户的停电时间和减少停电面积，因此，准确地测定配电网故障位置显得意义重大，而分布式发电DG（DG―distributedgeneration）的接入也会使这一情况变得更为复杂，含DG的配电网的故障定位研究，不仅有利于减少停电时间和区域，而且也有利于研究合理的故障恢复策略，从而提高配电系统的供电可靠性和运行效率。

[关键词]配电、分布式发电、DG、故障

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0397-01

国内外研究水平：对于传统的配电网故障恢复问题，国内外学者已提出了多种方法予以解决，如启发式算法，遗传算法、禁忌搜索法、约束满足问题（CSP）二阶模型法等。但随着分布式发电（DG―distributedgeneration）技术的发展，分布式电源（DR―distributed resource）与常规电力系统并网的趋势越来越明显。DG并网后，配电系统的结构和运行都将发生巨大变化。此外，由于DG类型众多，其数学模型及在电网中承担的任务不尽相同，不能按照常规电网中的电源进行处理，因而，考虑DG后的配电网故障恢复不能直接套用传统的恢复算法，急需研究含分布式电源的配电网故障快速定位及供电恢复决策开发以解决上述问题。

理论研究：

含分布式电源的配电网故障快速定位方法研究

> 基于改进GA的含DG的配电网故障定位技术研究

配电网的故障总体上可以分为永久性故障和瞬时性故障两种。对于永久性故障，相应的继电保护装置会发出信号使相应的断路器动作，从而切除故障线路：根据配电网自动化的程度采取不同故障隔离方案，自动化程度较低的配电网一般需要跳开该故障线路首端的断路器，而自动化程度较高的配电网满足多分段条件，只需跳开距离故障点最近的一个或者多个断路器。瞬时性故障一般发生在架空线路上，瞬时故障可通过机电保护重合闸装置来消除，也提高了配电网的供电可靠性；当线路发生永久性故障时，发生单相接地故障占总故障的 70%～80%，由于我国的配电网中心点接地方式多采用小电流接地方式，因此不会形成短路，只是经线路对地容性的电流通道，故障电流小，可允许配电系统继续运行 1～2 小时，但最终必须经过合理的故障处理，故障隔离势必以切除线路部分负荷为代价来保证配电系统的稳定性，对于故障隔离区段的线路，其电力供应只能是在线路的故障位置修复后才能恢复的，对于故障隔离区段以外的线路刻通过联络开关来实现负荷转供，因此精确、快速的故障定位技术有利于实现故障区段供电的快速恢复。当线路发生瞬时性故障时，虽不会造成故障线路的长时间停电事故，但是在发生瞬时故障的位置其绝缘性等会受到影响会成为该线路的薄弱点，随着时间的积累有可能在将来发展成为永久性故障点，这样以来，故障定位技术也有助于线路维护计划的制定和实施。因此，对于上述两种故障故障定位有着不同的目的和意义。本项目首先在研究 GA 在不含 DG 的配电网的故障定位应用的基础上，进一步研究基于改进 GA 在含 DG 的多电源情况下的永久性故障的定位技术。

> 故障电流正方向及网络编号

通过前面的分析，DG 的接入增加了配电系统网络拓扑结构的复杂度，故障时也会对故障点产生故障电流，这使得配电系统中的故障电流的方向不一致，因此，必须定义一个正方向，这样便于开关函数和适应度函数的建立。

对于配电网络正方向的定义都是假设网络在只有单个电源（一般选取 DG 之外的上级主电源）供电时的功率方向作为网络的正方向，这样使得整个配电网络就只有一个正方向。结合前面对开关上下级电源的说明，本项目定义开关的正方向为从上级电源指向下级电源，这样对某个具体的开关而言，假定整个配电网络只有该开关的上级电源供电时的潮流方向为该开关的正方向，这样的定义使得该网络中每一个开关只有一个确定的正方向，该正方向对网络整体而言意义不大。由于定义了开关的正方向，因此在多电源的情况下开关的过流状态会有三种情况出现：当与开关对应的 FTU 或 DTU 监测点检测到故障过流方向且与其定义的正方向相同时，开关的状态为 1；没有检测到故障过电流时，则为 0。对开关的故障电流状态为-1 时的编码必须考虑到接入 DG 的配电网与单电源辐射状的馈线结构不同，在 DG 的支路上的开关流过的故障电流可能会与接入前的方向相反，因此增加-1 编码能更好反映这种含 DG 的配电网络，另一方面，配电系统线路的状态依然还是定义故障状态为 l，正常状态为 0。

3.2含分布式电源的配电网供电恢复算法研究

含DG的配电网恢复重构数学模型的构造

3.2.1目标函数

快速有效和经济可靠是配电网络故障恢复重构需要综合考虑的问题。将最大限度的恢复断电区域内的负荷和过程的操作易行作为对方案的评价是远远不够的，还要综合考虑故障恢复重构后电网运行的安全性与经济性。所以，配电网络的故障恢复重构是一个综合的复杂优化问题，其具有多约束条件、多目标组合的特点。

在本项目中建立的目标函数主要是甩负荷最少和网损最小：

f=min{（k}-∑k）+A（PL+∑Ps）}

式中：凡为总的断电负荷量；Y为隔离故障之后的断电区域的集合；凡为第i个负荷恢复的负荷量；A的值取0或1，恢复所有断电负荷时，A取1，否则为0； N为恢复供电后，断电区域内DG所形成孤岛的数目；几为非孤岛运行部分的网损；弓为第j个孤岛的有功损耗。

3.2.2约束条件

搜索满足配电网运行条件且使目标函数最大的解向量是配电网恢复重构所需要求解的问题。配电网恢复重构的约束条件一般包括：

（1）网络的辐射状运行的约束。

（2）支路容量的约束。

Si

式中1的取1，2...n， n为支路的总数；尽～为支路1线路的容量；尽为支路1上的功率。

（3）节点电压的约束。

式中i的取1，2...m，m为节点的总数； Ui min、Ui、Ui max分别为节点的电压及该节点电压的上、下限。

为了将多重复杂的函数简化处理，现把不等式约束条件变为罚函数放入目标函数中。

不等式线路容量s；的罚函数设定为：

其中令a =2为惩罚值。

而对于不等式电压约束，设定罚函数为：

式中b=2为惩罚值。可以看出，物理量越多惩罚力度就会越大，使不满足约束条件的个体中的基因更早的被淘汰。

将上代入到目标函数式中，新的目标函数f’形成如下：

其中，β1、β2于零的常数，称为惩罚因子。

综合上述目标函数和约束条件的惩罚函数，得出目标函数：

其中，ω1、ω2为权重系数，可以根据配电网对供电需求的偏重点而改变其大小，仅需满足ω1+ω2=1，本文中ω1取0.7，ω2取0.3，β1取值0.01，β2取值0.05。

参考文献：

[1] 刘健，张小庆，同向前，张志华，杜红卫，陈宜凯.含分布式电源配电网的故障定位，电力系统自动化.

[2] 郭壮志，陈波，刘灿萍，许奎，李剑峰.基于遗传算法的配电网故障定位；电网技术.

[3] 张荣森.含分布式电源的配电网故障定位技术及暂态稳定性研究；湖南大学.